对流层臭氧污染特征及来源上课讲义

对流层臭氧污染特征
及来源
对流层臭氧污染特征及来源
张圆圆
（兰州大学大气科学学院，甘肃兰州 730000）
摘要：近年来由于人类活动的影响，地面大气中的臭氧浓度不断升高，对流层臭氧污染已成为困扰人类的另一大环境问题。

它的生成与氮氧化物和挥发性有机物等大气污染物相关性较大，原因复杂，污染防治难度较高。

它对人类健康、农作物和植物的生长都会造成诸多危害。

因此，了解对流层臭氧的污染特征、来源及其危害，对做好臭氧污染的防治工作十分重要。

本文综合叙述了对流层臭氧的污染特征、来源及防治方法。

关键词：对流层臭氧污染特征来源防治方法
一、对流层臭氧简介
臭氧是地球大气中重要的气体，90%集中在10-30km的平流层，仅有10%分布在对流层中，但这10%的对流层臭氧却与人类活动密切相关。

在对流层里存在的臭氧是光化学烟雾的组成部分之一，它浓度在10～100ppb范围内，不同于平流层臭氧对地球生态系统的巨大贡献，对流层臭氧对人类及生物圈是有害的。

二、对流层臭氧的污染特征
1．空间分布特征
对流层从地球表面延伸至10~18千米高度（其厚度与纬度相关），内部又可分为许多层，而臭氧主要集中在混合层（即从对流
层到平流层的过渡区）。

而在混合层下方，也就是绝大多数生物生活的高度（距地面0~10千米），臭氧的浓度相对很低，但由于它容易对人类健康产生不良影响，因此是一个亟待解决的环保问题。

一些城市的监测情况显示，郊区的臭氧浓度高于市区。

对于这一现象，专家说，这是因为生成臭氧的“原料”（氮氧化物和挥发性有机化合物）主要来自机动车尾气等，而氮氧化物等尾气发生光化学反应有一个过程，当“原料”随风飘到郊区时，反应更充分，臭氧浓度就更高。

另一方面，在机动车产生的“新鲜”的氮氧化物中，二氧化氮是产生臭氧的“原料”，一氧化氮则有消除臭氧的效果，而等扩散到了郊区，氮氧化物中消耗臭氧的一氧化氮都被氧化成了二氧化氮，如此一来，郊区的臭氧含量高于城区也就不足为奇。

2. 时间变化特征
一年之中，臭氧浓度的最高峰集中在夏季。

这期间，对臭氧的形成，可谓是天时地利人和——日照强、云量少、风力弱。

对流层臭氧浓度随季节变化趋势明显，春、夏季浓度较高,秋季浓度次之。

一日之中，臭氧浓度在清晨是非常低的，8点之后，随着形成臭氧的废气越来越多，日照时间越来越长，臭氧浓度也逐渐升高，于14点到16点之间达到峰值，之后再缓慢降低，到晚上8点后，臭氧浓度又恢复了最低状态。

臭氧浓度日变化随季节变化明显。

与冬季相比，春、夏和秋季臭氧浓度的日变化幅度比较大，臭氧浓度分布比较分散，周末臭氧
浓度的日变化幅度大于平日。

3. 对流层臭氧对生物的影响
3.1 对人体的影响
大气中臭氧浓度为0.1～0.5ppm时引起鼻和喉头粘膜的刺激和对眼睛的刺激，在0.2～0.8ppm浓度下接触两小时后会出现气管刺激症状，1ppm以上引起头疼、肺深部气道变窄，出现肺气肿，长时间接触会出现一系列中枢神经损害或引起肺水肿。

大气中的臭氧可刺激呼吸系统，导致咳嗽、喉咙痛、胸闷等不适；损害肺功能，导致气喘、呼吸乏力，患者可能会因呼吸障碍而无法参加一些剧烈运动；加重哮喘病情：当臭氧浓度高时，哮喘病人的急性发作和就诊率会随之上升，其原因之一就是在臭氧刺激下，人呼吸道对病原体的防御力会进一步下降，容易引发哮喘急性发作；增加上呼吸道感染患病机率；引起肺泡膜发炎、受损。

在几天之内，被损坏的细胞会像晒黑后的皮肤一样脱落，直到新细胞长成。

动物实验结果表明，如果这种情况长期得不到改变，可能会在肺组织中留下疤痕，导致肺功能受到永久损害，严重影响患者的生活质量。

此外，臭氧还能阻碍血液输氧的功能，造成组织缺氧现象，并有使视力迟钝、甲状腺功能受损、骨骼早期钙化等作用。

根据近年研究，它还有引起染色体畸变的作用。

有关组织对美国全国95个城市居民区中的住户进行了一次抽样调查，结果发现居住环境中的臭氧浓度与居民过早死亡率有密切关
系。

研究还指出，若城市中的臭氧浓度能下降三分之一，那么全美每年将可减少约4000例死亡。

3.2 对植物的影响
臭氧影响农作物和森林的生长，降低植物生产力。

它为云雨水的酸化提供了氧化剂，导致了酸雨的形成。

4、对流层臭氧对环境的影响
对流层臭氧对环境的影响是多方面的，首先臭氧是一种重要的温室气体，它吸收（9.6μm）红外辐射，影响辐射平衡，在对流层的能量平衡系统中扮演很重要的角色，其浓度变化是引起气候变化需要考虑的因子。

其次，臭氧本身是一种化学活性污染气体，参与大气中的光化学反应过程，它在维持大气的氧化能力方面起着非常重要的作用。

三、对流层臭氧的来源
对流层臭氧主要来自光化学反应——当混合着各种氮的氧化物（NO X）、一氧化碳（CO）和挥发性有机化合物（VOC，如二甲苯）的空气在受到日光照射时，便会产生臭氧。

氮氧化物和挥发性有机物因此被称为“臭氧前体”。

工业废气、汽车尾气和化学有机溶剂是“臭氧前体”的主要人为排放源。

尽管这些排放源大都集中在城市，但一些物质（如氮氧化物）可借助风力扩散到数百千米之外的人口稀疏区，在那里形成臭氧源。

甲烷是对流层臭氧产生的另一元凶。

这种挥发性有机物在大气层中的浓度在20世纪经历了大幅度增加，这大大加剧了对流层臭氧的形成，并且这种作用是全球性的，
而氮氧化物和其他VOC的影响只是局部性的。

由于上述区别，人们有时会特别使用“非甲烷VOC”（NMVOC）这一术语来特指除甲烷外的其他挥发性有机物。

对流层臭氧的形成需经历一系列复杂的化学反应，分别把一氧化碳和VOC氧化成二氧化碳和水蒸气。

下面我们仅列出涉及一氧化碳的反应，涉及VOC的反应与此类似。

氧化反应首先发生在一氧化碳和有机物的羟基之间。

此过程中形成的游离氢原子迅速被氧化成过氧基HO2。

OH + CO → H + CO2
H + O2→ HO2
紧接着，过氧基将NO氧化成NO2，NO2在阳光照射下会发生光解反应，释放出游离氧原子。

最后，极不稳定的氧原子O和空气中的氧气分子O2化合，就生成了终产物臭氧。

上述反应可表示为：HO2 + NO → OH + NO2
NO2 + hv → NO + O
O + O2→ O3
上面一系列反应的实际效果是：
CO + 2O2→ CO2 + O3
此一化学方程式似乎表明HO X和NO X总量在反应前后未发生变化，而事实上上述过程还伴随着OH和NO2反应生成硝酸（HNO3），以及过氧基之间相互反应生成过氧化氢（即双氧水），这些反应都会逐步减少生成臭氧过程中催化剂的数量。

有挥发性有机物参与的
反应比上面的过程复杂得多，但对生成臭氧而言最关键的一步——过氧基将NO氧化成NO2——与上面的过程是相同的。

另外，平流层臭氧的向下扩散流动也是对流层臭氧的重要来源之一，但这一来源相对前述人为贡献而言对人类的危害要小得多。

四、对流层臭氧污染防治方法
春末、夏季和初秋季节的下午和傍晚是臭氧污染最严重的时间，为减少臭氧污染，我们要在这些时间里减少外出并保持室内通风，减少汽车的使用，避免生火或进行户外烧烤，不要使用以汽油为动力的草坪设备，不要给汽车加油，使用环保油漆、清洁剂和办公用品，注意节约能源。

对流层臭氧污染源于人类活动，汽车、燃料、石化等是臭氧的重要污染源。

有车族应减少不必要的开车，多用公共交通如地铁，以减少汽车废气的排放。

更为重要的是，人们应认识和重视到吸入过量臭氧的危害性，避免在日常生活中出现臭氧中毒。

参考文献：
[1]张远航，李金凤.臭氧污染的危害、成因与防治[J].紫光阁,2014(12):72-72.
[2]姜峰，荀钰娴.城市臭氧浓度变化规律分析[J].环境保护与循环经济,2015,02(2):55-59.
[3]闫家鹏.臭氧污染的危害及降低污染危害的措施[J].南方农业,2015(6):188-189.
[4]吴涧，蒋维楣，刘红年，等.中国地区对流层臭氧变化和分布的数值研究[J].高原气象，2003(02):37-47.
[5]朱彬，安俊岭，王自发，等.光化学臭氧日变化特征与其前体物关系的探讨[J].南京气象学院学报，2006,29(6):744-749.
[6]王喜红，李兴生.中国地区对流层臭氧变化和分布的数值研究[J].气象学报，1998(03):333-338.
[7]王雪松，李金龙，张远航，等.北京地区臭氧污染的来源分析[J].中国科学，2009(06):548-559.
[8]周余义，许英杰，李倩，等.论对流层臭氧问题[J].华商，2008(11):125-125.
[9]张华，陈琪，谢冰，等.中国的PM2.5和对流层臭氧及污染物排放控制对策的综合分析[J].气候变化研究进展，2014(04)：59-66.
[10]冯静，董君，陶红蕾.青岛市环境空气臭氧污染特征分析[J].干旱环境监测，2013,04(4):150-153.
[11]纪飞，秦瑜.对流层臭氧研究进展[J].气象科技，1998(04):17-24.
[12]金明红，黄益宗.臭氧污染胁迫对农作物生长与产量的影响[J].生态环境，2003,12(04):482-486.。